شماره ركورد
32984
پديد آورنده
طاهره جنگجوي شالدهي
عنوان
تهيه و ارزيابي مجموعه الكترود-غشاء بر مبناي فلزات غيرگرانبها براي الكتروليز كلرآلكالي پيشرفته
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي (PhD)
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي- مهندسي شيمي
سال تحصيل
1398
تاريخ دفاع
1403/7/15
استاد راهنما
سوسن روشن ضمير
استاد مشاور
فرانسسك ايلاس
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
كاهش مصرف انرژي در صنعت كلر آلكالي از نظر اقتصادي و زيست محيطي، از اهميت بالايي برخوردار است. استفاده از كاتدهاي قطبيده نشده اكسيژن منجر به كاهش چشمگيري در مصرف انرژي در فرايند كلر آلكالي غشايي ميشود. در اين راستا، براي ساخت كاتد قطبيده نشده اكسيژن از الكتروكاتاليست اتم منفرد فلزات غيرگرانبها استفاده شد. در ابتدا براي انتخاب فلزات غيرگرانبهاي مناسب (اسكانديوم، تيتانيوم، واناديوم، منگنز، آهن، نيكل، مس)، از محاسبات تئوري تابعي چگالي به كمك نرمافزار وَسپ استفاده گرديد. محاسبات نشان داد كه مس داراي كمترين بيش پتانسيل (برابر با 71/0 ولت) نسبت به ساير فلزات بوده است. در ادامه، الكتروكاتاليست اتم منفرد مس به روش پيروليز براي واكنش احياي اكسيژن سنتز گرديد. انواع آزمونهاي ولتامتري، طيفسنجي امپدانس الكتروشيميايي، كرونوآمپرومتري و انواع آزمونهاي مشخصهيابي شامل ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، طيفسنجي تبديل فوريه مادون قرمز، طيفسنجي پراش اشعه ايكس، طيفسنجي پراكندگي انرژي اشعه ايكس، طيفسنجي فوتوالكترون اشعه ايكس براي الكتروكاتاليست سنتز شده Cu SA/N-C و Pt/C 20%w/w تجاري انجام شد. آزمايشها نشان داد كه الكتروكاتاليست Cu SA/N-C از نظر عملكرد و پايداري با الكتروكاتاليست تجاري قابل مقايسه بوده است. الكتروكاتاليست سنتزي داراي پتانسيل آغازين و نيم واكنش به ترتيب 90/0 و 80/0 ولت بوده كه اين مقادير براي الكتروكاتاليست تجاري به ترتيب برابر با 95/0 و 85/0 ولت بهدست آمده است. همچنين، الكتروكاتاليست سنتزي توانست مسير مطلوب چهار الكتروني احياي اكسيژن (عدد انتقال الكترون = 4) را در مقايسه با الكتروكاتاليست تجاري (عدد انتقال الكترون = 94/3) پيش ببرد. پس از گذشت 10 ساعت در پتانسيل ثابت 4/0 ولت، چگالي جريان در الكتروكاتاليست سنتزي و تجاري به ترتيب به مقدار 6/83 % و 36/96 % مقدار اوليه آنها رسيده است. پس از سنتز الكتروكاتاليست بهينه، الكترود قطبيدهنشده اكسيژن از الكتروكاتاليست سنتزي و Pt/C 20%w/w تجاري با بارگيري يكسان ساخته شد و در سل كلرآلكالي پيشرفته با طراحي شكاف صفر (zero gap) تحت دماي ℃ 80 و رطوبت 95% مورد ارزيابي قرار گرفت. طي آزمونهاي انجام شده در سل كلر آلكالي پيشرفته، الكترود قطبيدهنشده اكسيژن با الكتروكاتاليست سنتزي داراي ولتاژ 1/2 ولت و بازده جريان هيدروكسيد سديم 8/93 % در kA/m2 1 ميباشد كه اين مقادير براي الكترود قطبيدهنشده اكسيژن با الكتروكاتاليست تجاري به ترتيب برابر با 9/1 ولت و 100% بهدست آمده است.
تاريخ ورود اطلاعات
1403/11/16
عنوان به انگليسي
Preparation and evaluation of Non-Precious Metal-Based Membrane Electrode Assembly (MEA) for Advanced Chlor-Alkali Electrolysis
تاريخ بهره برداري
10/7/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
طاهره جنگجوي شالدهي
چكيده به لاتين
Reducing energy consumption in the chlor-alkali industry is of great importance from the economic and environmental point of view. The use of oxygen-depolarized cathodes leads to a significant reduction in energy consumption in the membrane chlor-alkali process. In this regard, single atom electrocatalyst of non-precious metals was used to make oxygen-depolarized cathode. Initially, density functional theory calculations were used with the help of VASP software to select suitable non-precious metals (scandium, titanium, vanadium, manganese, iron, nickel, copper). Calculations showed that copper had the lowest overpotential (equal to 0.71 V) compared to other metals. Next, copper single atom electrocatalyst was synthesized by pyrolysis method for oxygen reduction reaction. Types of voltammetry tests, electrochemical impedance spectroscopy, chronoamperometry and types of characterization tests including field emission scanning electron microscope, transmission electron microscope, infrared Fourier transform spectroscopy, X-ray diffraction spectroscopy, X-ray energy dispersive spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy for the synthesized Cu SA/N-C electrocatalyst Commercial Pt/C 20%w/w were performed. The tests showed that the Cu SA/N-C electrocatalyst was comparable to the commercial electrocatalyst in terms of performance and stability. The synthetic electrocatalyst had the initial and half-wave potentials of 0.90 and 0.80 V, respectively, and these values for the commercial electrocatalyst were 0.95 and 0.85 V, respectively. Also, the synthetic electrocatalyst was able to advance the optimal four-electron path of oxygen reduction (electron transfer number = 4) compared to the commercial electrocatalyst (electron transfer number = 3.94). After 10 hours at a constant potential of 0.4 V, the current density in the synthetic and commercial electrocatalyst reached 83.6% and 96.36% of their initial value, respectively. After the synthesis of the optimal electrocatalyst, the oxygen-depolarized electrode was made from the synthetic electrocatalyst and commercial Pt/C 20%w/w with the same loading and evaluated in the advanced chlor-alkali cell with zero gap design under the temperature of 80℃ and humidity of 95%. During the tests performed in the advanced chlor-alkali cell, the oxygen-depolarized electrode with synthetic electrocatalyst has a voltage of 2.1 V and the sodium hydroxide current efficiency is 93.8% in 1 kA/m2, which are equal to the oxygen-depolarized electrode with commercial electrocatalyst, 1.9V and 100% is achieved, respectively.
كليدواژه هاي فارسي
الكترود قطبيده نشده اكسيژن , واكنش احياي اكسيژن , تئوري تابعي چگالي , الكتروكاتاليست اتم منفرد مس , سل كلرآلكالي شكاف صفر
كليدواژه هاي لاتين
Oxygen-Depolarized Cathode , Oxygen reduction reaction , Density Functional Theory , Cu Single Atom Electrocatalyst , Zero-gap Chlor-alkali Cell
Author
Tahere Jangjoo
SuperVisor
Dr. Roshanzamir